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解读硬核元器件看变频器最新发展趋势

时间:2022-08-12 15:56:19来源:北京利德华福电气技术有限公司

导语:​本文通过介绍元器件的发展趋势," 硬核 " 解读目前变频器行业的趋势变化,看深耕高压变频行业二十四载的利德华福是如何传承经典的研发基因、甄选合适元器件,用技术革新缔造出顺应趋势的第七代高压变频产品。御电新生,未来可“七”!

  变频器核心部件:母线电容

  利德华福HARSVERT系列变频器是一款电压源型单元级联型变频器,设备的核心部件是作为直流储能环节的电容器,担负着解耦、滤波、提供无功功率等重要的功能。如果电容出现容值大幅下降、纹波电阻增大等故障, 就会导致电机电流大幅波动、转速不稳、电容发热严重, 因此利德华福在电容器的选择上颇费了一番“苦心”。

  目前,直流母线最常见的电容为铝电解电容。而其最容易发生的容值下降、电容发热等故障,大部分是因电容老化而造成的,为了避免电容失效而导致设备故障,通常需要在使用后的7 -10 年左右对直流母线电容进行检测和更换。

  

电容器.png

  图 1 电容器

  (1)铝电解电容

  作为最常见的电容,铝电解电容以金属铝箔作为阳极箔,表面经过化成形成的氧化铝薄膜作为电介质,起绝缘作用,电解液作为实际阴极,同时起修补氧化膜作用,阴极箔起阴极引出作用。电解电容通过对电极实施蚀刻处理使其表面粗糙来扩大电极表面积,从而增大容量。

  由于绝缘介质是铝箔表面的氧化铝薄膜,难以控制氧化层厚度及均匀性、达到高耐压,在不同的阶段,可能会导致以下几种情况出现:

  •电解电容工作的早期

  铝电解电容由于在负荷工作过程中,电解液不断修补并增厚阳极氧化膜(补形效应),会导致电容容量的下降;

  •电解电容工作的后期

  由于电容温度较高、密封性能变差导致的电解液泄露等原因,电解液的损耗较多,溶液变粘稠,电阻率增大。这也将导致电解质的等效串联电阻增大,损耗增加,最终使得发热量增大,温升升高,进入一个恶性循环。

  此时,电解液因粘稠而难以充分接触铝箔表面凹凸不平的氧化膜层,使得电容的有效极板面积减小,导致电容容量下降。因此,铝电解电容的结构决定了其使用寿命的限制。比起铝电解电容,是否有更好的选择呢?

  (2)金属薄膜电容

  若要降低变频器生命周期内的运维成本,使电容器在整个生命周期内都无需更换,无疑是更优解,因此金属薄膜电容进入了考虑范围。

  金属薄膜电容发展仅10年左右,早期因产量小,制造成本高。现在随着产量的增大,制造成本显著降低,使得其大规模的应用成为了可能。因为金属薄膜电容的原理与铝电解电容完全不同,所以铝电解电容的问题能在金属薄膜电容上迎刃而解。

  金属薄膜电容采用高分子聚合物薄膜基板和金属薄膜,不会导致电解质问题,且能调整厚度以达到更高的耐压等级,寿命长达15年以上,能够显著降低产品生命周期的运营费用。凭借上述几项适合变频器应用的优势,金属薄膜电容引起了利德华福的关注。

  仅仅引起注意还不够,想要胜任利德华福变频器的核心部件“职位”,自身条件需要相当优秀。在变频核心部件的“岗位争夺战”中,铝电解电容和金属薄膜电容毫无保留,各自秀出了自己的数值,如表1所示。

  

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  表 1 铝电解电容和金属薄膜电容之比较

  通过数值可以看到,在使用寿命、耐压、耐浪涌电压、耐低温、耐震动、耐长期储存及易安装等各个方面, 金属薄膜电容均具备明显优势。应用金属薄膜电容,能够大幅提高变频器的可靠性,显著降低电容导致的变频器的运营维护成本,因此这个“职位”非它莫属!

  (3)催化变频新改变

  在利德华福变频器产品上担任重要“岗位”后,作为新一代元器件的金属薄膜电容,借助其高耐压和可自愈的特性,提供额定1200V的耐压,无需电阻均压电路,避免了因均压失效导致的过压损毁问题,为变频器的设计和运行带来了更加积极的变化:

  •变化:更优异的设计(见图2)

  •变化:更坚强的品质

  

设计方案比较.png

  图 2 设计方案比较

  当电容端电压超过耐压极限后,金属薄膜电容会导致金属镀膜击穿并蒸发,随着过电压的消失而自行恢复,同时会损失该部分的容量;电解电容的过压则会导致氧化膜的击穿和电解液的蒸发,并可能导致电容爆炸等情况。

  而采用金属薄膜电容作为直流母线电容,可进一步提高整个高压变频器的可靠性和稳定性,并具备过压击穿后的自愈能力,显著降低客户在变频器生命周期内的运营成本。金属薄膜电容作为中高压变频器直流支撑电容,也已逐渐成为行业的共识和必然趋势。

  变频器核心部件

  绝缘栅双极型晶体管IGBT

  利德华福变频器的核心元器件采用全称为绝缘栅双极型晶体管的IG BT (Insula t ed G a t e Bip o la r Transistor)。IGBT的可控开关能力使得变频器可以通过PWM模式控制输出电压和频率, 其特性决定了变频器的输入、输出电压、电流和输出dv/dt性能,因此IGBT的选择关系到整个产品的设计和品质。在如此重要的元器件上,利德华福是如何进行选择的?

  

IGBT 模块.png


  图 3 IGBT 模块

  (1)IGBT的额定电流选择

  •散热效率

  散热效率指散热片转移热量的速度和能力,利德华福采用新型压铸式一体成型散热器,通过翅片进行高效散热;

  •过载要求

  利德华福变频器均按照允许120%过载、1分钟每10 分钟设计,充分考虑现场使用中可能出现的过负荷工况, 确保设备持续、稳定运行;

  •核心温升限值

  IGBT允许的温升决定了IGBT允许输出的电流大小, 除了散热设计以外, IGBT的核心耐受温度越高, 则允许输出的电流越大,鲁棒性也就越好;新型IGBT核心允许温度可达150℃。

  (2)IGBT的额定电压选择

  •电网过电压

  IGBT需要可以耐受电网波动导致的电压升高,通常为110%~130%电网额定电压;

  •关断过电压

  IGBT需要可以耐受关断时,电路上的感性负荷以及杂散电感造成的电压尖峰;

  •故障过电压

  IGBT还需能承受线路出现过电流时导致的过电压, 并可靠关断。

  (3)封装更新,顺应变频发展

  由于变频器的封装形式关系到控制回路和主回路的布局设计,同时进一步影响电路的电气性能, 所以IGBT 的封装也要不断变化, 顺应变频器的发展需要。因此在IGBT封装形式上,利德华福同样“别出心裁”。

  •更高电流密度

  IGBT芯片的电流密度随着技术的发展逐步提高,目前最新型的小功率IGBT模块已经可以将整流,逆变电路集成在一个模块内,实现高压变频的完整拓扑。此种一体式模块的功耗与分立器件在不高于传统三模块设计前提下一致。这样的封装大幅简化设备结构和体积,减少器件间的线缆连接和故障点,提高设备的稳定性。

  •更强的整流二极管芯片

  采用整流二极管芯片(一体式模块)可以使整流桥耐压进一步提升至2000~2200V(对比传统的1800V耐压),并且浪涌电流耐量(I2t,IFSM)也进一步增强, 能有效防止电网电压波动及冲击电流造成的失效。

  

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  图 4 采用更强的整流二极管

  •焊接式引脚封装

  

焊接式引脚 IGBT.png

  图 5 焊接式引脚 IGBT

  这种封装下,IGBT的控制回路(或主回路)都是通过焊接式引脚引出。如图5所示,可以采用焊接在电路板上的形式,使用叠层母线设计,减小母线杂散电感,降低IGBT上的关断尖峰电压,延长IGBT使用寿命。

  (4)内置测温,精准核心保护

  IGBT保护的核心是温度保护,因此IGBT的核心温度测量就非常关键,传统的温度测量方案需要在IGBT旁的散热片上安装测温元器件,但这样的方式可能会带来几种问题:

  •布置在散热器,离发热源较远;

  •检测结果偏差大;

  •温度检测响应慢,时间常数大;

  •继电器输出,无法读取实际温度值。

  为了避免上述问题所带来的影响,利德华福采用了新型IGBT模块内置温度检测方案,在IGBT模块内部安装测温元器件,使温度传感器能够采集实际温度值,并且发送给主控系统,从而实现了以下功能:

  •集成在IGBT内部,接近发热源;

  •检测结果更准确;

  •温度检测时效性高,响应快;

  •实时温度数值显示。

  这种新型IGBT,可以进一步提高整个高压变频器的可靠性,并有效缩短检测、维修时间,降低用户的维护费用。通过采用以All-in-one、EconoDual封装为代表的新型IGBT,利德华福为变频器的设计带来了新潮流, 最新推出的第七代高压变频产品, 御电新生, 未来可“七”!

 


标签: 变频器

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